Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

HYDRA – Wasserstoffversprödung metallischer Werkstoffe bewerten

Wasserstoff unter Last: neue Methoden für sichere und zuverlässige Bauteile

Im Projekt »HYDRA – HYdrogen-related Damage Risk Assessment« untersuchen das Fraunhofer LBF, das Institut für Oberflächen- und Schichttechnik IFOS GmbH und das Fachgebiet Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung WWHK der Hochschule Kaiserslautern, wie Wasserstoff metallische Werkstoffe verändert und unter welchen Bedingungen daraus Schäden entstehen können.

Wir bringen unsere Expertise in der Betriebsfestigkeit und der Untersuchung metallischer Werkstoffe unter Wasserstoffeinfluss ein. Ein Schwerpunkt ist die Entwicklung eines multiphysikalischen Belastungssimulators, mit dem sich Wasserstoffeinfluss und mechanische Beanspruchung miteinander verknüpfen lassen. Ziel ist es, den Einfluss von Wasserstoff bei der Bewertung der Lebensdauer wasserstoffführender Komponenten künftig besser berücksichtigen zu können.

Wenn Wasserstoff die Werkstoffeigenschaften verändert

Wasserstoff gilt als wichtiger Energieträger für eine klimafreundlichere Industrie, Mobilität und Energieversorgung. Rohrleitungen, Speicher, Ventile und weitere Komponenten kommen dabei unmittelbar mit Wasserstoff in Kontakt. Gleichzeitig sind diese Bauteile im Betrieb mechanischen Belastungen, Druckschwankungen, wechselnden Temperaturen oder Schwingungen ausgesetzt.

Wasserstoff kann in metallische Werkstoffe eindringen und deren Eigenschaften verändern. Das Material kann an Verformbarkeit verlieren, Risse können früher entstehen oder schneller wachsen. Unter ungünstigen Bedingungen kann dadurch die Lebensdauer eines Bauteils deutlich sinken. Wie stark dieser Effekt ausfällt, hängt unter anderem vom Werkstoff, dem Wasserstoffeintrag, der Wasserstoffkonzentration sowie von Temperatur, Druck und mechanischer Beanspruchung ab.

Für die sichere Auslegung wasserstoffführender Komponenten reicht es deshalb nicht aus, den Werkstoff oder die mechanische Belastung isoliert zu betrachten. Entscheidend ist das Zusammenwirken der unterschiedlichen Einflussgrößen.

Wasserstoff und mechanische Belastungen gemeinsam untersuchen

Im Projekt HYDRA werden experimentelle und modellbasierte Grundlagen für eine belastbare Bewertung wasserstoffbelasteter metallischer Werkstoffe geschaffen. Dabei werden Wasserstoffkonzentration und -verteilung, Veränderungen der Mikrostruktur sowie das mechanische Schädigungs- und Ermüdungsverhalten miteinander verknüpft.

Wir untersuchen, wie sich unterschiedliche Wasserstoffgehalte auf das Verformungs- und Ermüdungsverhalten metallischer Werkstoffe auswirken. Dafür werden Werkstoffproben unter definierten Bedingungen mit Wasserstoff oder Deuterium, schwerem Wasserstoff, beladen. Die eingetragenen Wasserstoffgehalte werden analytisch bestimmt und mit den Ergebnissen mechanischer Untersuchungen zusammengeführt.

Untersucht werden zunächst einphasige Modellwerkstoffe und anschließend komplexere, mehrphasige Werkstoffe wie industriell relevante austenitische Chrom-Nickel-Stähle. So lassen sich grundlegende Mechanismen systematisch erfassen und schrittweise auf anwendungsnahe Werkstoffe übertragen.

Multiphysikalischer Belastungssimulator für realitätsnahe Versuche

Unser zentraler Beitrag ist die Entwicklung und Erprobung eines multiphysikalischen Belastungssimulators. Mit der Versuchseinrichtung sollen metallische Werkstoffproben gleichzeitig einem Wasserstoffangebot und einer mechanischen Belastung ausgesetzt werden.

Dadurch können lokale Verformungen und Veränderungen des Werkstoffverhaltens unter gekoppelten mechanisch-chemischen Belastungen untersucht werden. Variation von Wasserstoffgehalt, Belastung, Temperatur und weiteren Randbedingungen ermöglicht es, unterschiedliche Einsatzsituationen gezielt abzubilden.

Ergänzend führen wir quasi-statische und zyklische Untersuchungen in Wasserstoffumgebung durch. Referenzversuche an Luft ermöglichen es, den Einfluss des Wasserstoffs auf Verformbarkeit, Festigkeit und Ermüdungsverhalten voneinander abzugrenzen.

Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, Zusammenhänge zwischen Wasserstoffeintrag, lokaler Beanspruchung, Werkstoffverhalten und Schädigungsentwicklung besser zu verstehen. Auf dieser Grundlage werden Ansätze erarbeitet, um den Wasserstoffeinfluss in die Lebensdauerbewertung zyklisch belasteter Komponenten einzubeziehen.

Von der Werkstoffanalyse zum Vorhersagemodell

Die Projektbeteiligten verbinden komplementäre Kompetenzen:

  • Das Fraunhofer LBF übernimmt die Wasserstoffbeladung und mechanische Beanspruchung der Proben, bestimmt eingetragene Wasserstoffgehalte und entwickelt den multiphysikalischen Belastungssimulator.
  • Das Institut für Oberflächen- und Schichttechnik IFOS GmbH untersucht Wasserstoffkonzentrationen und -verteilungen sowie wasserstoffinduzierte Veränderungen mit hochsensitiven oberflächen- und tiefenaufgelösten Analyseverfahren.
  • Das Fachgebiet Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung WWHK der Hochschule Kaiserslautern analysiert Mikrostruktur, Ermüdungsverhalten und Rissentwicklung und führt die Daten in einem multiskaligen Vorhersagemodell zusammen.

Durch die Verknüpfung von makroskopischer Werkstoffprüfung, hochauflösender Analytik und numerischer Modellierung entsteht eine durchgängige Bewertungskette. Das im Projekt entwickelte Modell soll dabei helfen, wasserstoffinduzierte Schädigungsmechanismen zu beschreiben und Erkenntnisse auf weitere Werkstoffe und technische Anwendungen zu übertragen.

Neue Prüfmöglichkeiten für Unternehmen

Die in HYDRA aufgebauten Methoden und Versuchsmöglichkeiten sind besonders für Unternehmen relevant, die metallische Komponenten für die Erzeugung, den Transport, die Speicherung oder die Nutzung von Wasserstoff entwickeln. Dazu gehören beispielsweise Hersteller von Rohrleitungen, Armaturen, Ventilen, Druckbehältern, Speichern und Komponenten für den Maschinen- und Anlagenbau.

Unternehmen stehen häufig vor der Frage, ob vorhandene Werkstoffe für Wasserstoffanwendungen geeignet sind, welchen Einfluss reale Betriebsbelastungen auf die Lebensdauer haben und wie sich neue Werkstoff- oder Bauteilkonzepte zuverlässig bewerten lassen.

Nach Abschluss des Projekts soll die neue Versuchsinfrastruktur perspektivisch im Sinne eines OpenLab auch Unternehmen zugänglich gemacht werden. Dadurch können Unternehmen eigene Werkstoff- und Anwendungsfragen mit spezialisierten Prüfmöglichkeiten bearbeiten, ohne die erforderliche Infrastruktur selbst aufbauen zu müssen.

Förderung und Partner

Projekt: HYDRA – HYdrogen-related Damage Risk Assessment

Analyse- und Bewertungskompetenz im Kontext der Wasserstoffversprödung: Differenzierung versagensrelevanter Mechanismen bei Beladung mit unterschiedlichen Wasserstoffarten

Projektlaufzeit: 1. Juli 2026 bis 30. Juni 2028

Projektpartner:

  • Institut für Oberflächen- und Schichttechnik IFOS GmbH
  • Fachgebiet Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung WWHK der Hochschule Kaiserslautern
  • Fraunhofer LBF (Unterauftragnehmer)

Von der Forschung in Ihre Anwendung

Sie entwickeln metallische Komponenten für Wasserstoffanwendungen oder möchten untersuchen, wie sich Wasserstoff auf das Werkstoffverhalten und die Lebensdauer Ihrer Bauteile auswirkt?

Wir unterstützen Unternehmen bei:

  • der Auswahl und Bewertung metallischer Werkstoffe für Wasserstoffanwendungen,
  • der Untersuchung quasi-statischer und zyklischer Werkstoffeigenschaften unter Wasserstoffeinfluss,
  • der Wasserstoffbeladung von Werkstoffproben unter definierten Bedingungen,
  • der analytischen Bestimmung eingetragener Wasserstoffgehalte,
  • der Bewertung des Ermüdungs- und Verformungsverhaltens,
  • der Berücksichtigung des Wasserstoffeinflusses bei der Lebensdauerbewertung von Komponenten sowie
  • der Entwicklung anwendungsspezifischer Prüf- und Bewertungskonzepte.

👉 Sprechen Sie uns an.

Research & Development

Wissenschaftlich-technologische Schwerpunkte

  • Betriebsfestigkeit metallischer Werkstoffe und Komponenten
  • Werkstoff- und Bauteilbewertung unter Wasserstoffeinfluss
  • Experimentelle Lebensdauerbewertung und Ermüdungsprüfung

 

Einheit System Reliability

 

Einheit Engineering Materials and Components

 

 

 

Querschnitts- und Fokusthema

Unsere Forschung im Kontext Wasserstoff

Materialien, Bauteile und Systeme für eine zuverlässige Wasserstoffindustrie

Wasserstoff
 

Leistungs- und Forschungsbereich

Reliability Assessment & Lifetime Prediction

Zuverlässigkeit und Lebensdauer

Reliability Assessment & Lifetime Prediction